CN117410825A - 一种基于bh结构的eml激光器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于BH结构的EML激光器芯片及其制备方法，包括远离出光端为LD结构以及靠近出光端为EAM结构；所述LD结构从下至上依次包括：衬底、N‑InP buffer层、第一InGaAsP SCH层、LD‑MQW层、第二InGaAsP SCH层、第一P‑InP spacer层、光栅层、第二P‑InPspacer、高掺杂P‑InP层、InGaAs接触层、SiO2钝化层以及P面电极；所述EAM结构从下至上依次包括：衬底、N‑InP buffer层、第一InGaAsP SCH层、EA‑MQW层、第二InGaAsP SCH层、P‑InP spacer层、高掺杂P‑InP层、InGaAs接触层、SiO2钝化层以及P面电极；应用本技术方案在能够对LD和EA分别设计优化的同时，在量子阱有源区两侧生长PNP电流限制结构，降低电流和载流子泄露，达到减小阈值电流、降低功耗、提高出光效率和耦合效率的效果。
Description
技术领域
本发明涉及EML激光器芯片技术领域，特别是一种基于BH结构的EML激光器芯片及其制备方法。
背景技术
电吸收调制激光器（EML）是由利用量子限制 Stark 效应（QCSE）工作的电吸收调制器（EAM）和利用内光栅耦合确定波长的 DFB 激光器（LD）集成的体积小、波长啁啾低的高性能光通信用光源，为当前国内外高速光纤传输网中信息传输载体的通用理想光源。在接入网方面有大量的应用，如在城域网和局域网中作光纤传输的信号光发射源，在相控阵雷达基站内作电-光信号转换兼远程传输的光源等。
在短距离应用中，虽然直接调制激光器(DML)具有低成本、低功耗的优势，但其调制带宽和传输距离受到张弛振荡频率和频率啁啾的限制。电吸收调制激光器(EML)集成光源具有大调制带宽、低频率啁啾的特点，相比DML，EML在啁啾效应、消光比、眼图、抖动、传输距离等性能方面具有优势，可以实现更高速率和更远距离的传输,尤其在高频调制或长距离传输时更是如此。
常用的激光器有脊波导弱折射率限制(RWG)和侧向掩埋异质结限制(BH)两种结构，目前高速DFB激光器一般采用RWG结构，包含一腐蚀截止层，在制作芯片工艺过程中，在腐蚀截止层上方形成脊波导结构，腐蚀截止层下方为量子阱有源区。腐蚀截止层一般为InGa As P材料，其禁带宽度比In P连接层小，且折射率大，异质材料的引入增加了DFB激光器电阻，且在In P与In Ga As P异质界面处，载流子易于横向扩散，导致激光器阈值电流密度偏大。BH结构采用在有源区的两侧生长材料限制载流子泄漏，可获得极低阈值的DFB激光器，传统BH结构在两侧生长Fe掺杂材料进行限制载流子泄露，对外延设备要求较高，且设备污染较严重。
目前采用以RWG结构的对接生长（Butt-joint）的EML 激光器，包含一腐蚀截止层，在制作芯片工艺过程中，在腐蚀截止层上方形成脊波导结构，腐蚀截止层下方为量子阱有源区。腐蚀截止层一般为In Ga As P材料，其禁带宽度比In P连接层小，且折射率大，异质材料的引入增加了DFB激光器电阻，且在In P与In Ga As P异质界面处，载流子易于横向扩散，导致激光器阈值电流偏大，功率偏低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于BH结构的EML激光器芯片及其制备方法，在能够对LD和EA分别设计优化的同时，在量子阱有源区两侧生长PNP电流限制结构，降低电流和载流子泄露，达到减小阈值电流、降低功耗、提高出光效率和耦合效率的效果。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于BH结构的EML激光器芯片，包括远离出光端为LD结构以及靠近出光端为EAM结构；
所述LD结构从下至上依次包括：衬底（1）、N-InP buffer层（2）、第一InGaAsP SCH层（31）、LD-MQW层（4）、第二InGaAsP SCH层（32）、第一P-InP spacer层（51）、光栅层（6）、第二P-InPspacer（52）、高掺杂P-InP层（7）、InGaAs接触层（8）、SiO2钝化层（13）以及P面电极（12）；
所述EAM结构从下至上依次包括：衬底（1）、N-InP buffer层（2）、第一InGaAsP SCH层（91）、EA-MQW层（10）、第二InGaAsP SCH层（92）、P-InP spacer层（11）、高掺杂P-InP层（7）、InGaAs接触层（8）、SiO2钝化层（13）以及P面电极（12）；
LD-MQW厚度较EA-MQW较薄，且中心与EA-MQW对准，LD与EA交界处设置隔离区（18），无高掺杂P-InP层、InGaAs接触层；InGaAs接触层（8）和P面电极（12）仅在欧姆接触区域（19）接触；波导横跨LD和EA区域，在波导两侧生长有电流限制结构，包括P-InP（15）、N-InP（16）、P-InP（17），在衬底底部镀有N面金属电极（14）。
本发明还提供一种基于BH结构的EML激光器芯片的制备方法，制备了上述的一种基于BH结构的EML激光器芯片，包括以下步骤：
步骤一：在衬底上生长LD结构，通过全息曝光和湿法腐蚀方式制成均匀光栅，清洗后在其上生长InP保护；
步骤二：制作掩膜，将EAM区域的LD结构刻蚀去除；
步骤三：生长EAM结构，EA和LD有源区对齐；
步骤四：制作脊型SiO2/SiNx掩膜，使用含Br2的溶液腐蚀到N-InP buffer层，形成脊型波导结构；
步骤五：在波导两侧生长P-InP 、N-InP 、 P-InP电流限制结构；
步骤六：去除掩膜后，在wafer表面生长高掺杂的P-InP和InGaAs接触层；
步骤七：将波导两侧的InGaAs接触层、高掺杂InP、PNP限制层腐蚀、刻蚀去除；
步骤八：将LD与EA交界处的InGaAs接触层和高掺杂层去除，形成电隔离；
步骤九：沉积钝化层，将LD和 EA 波导上方的钝化层去除，露出InGaAs接触层；再次光刻后镀上P面电极，去胶后合金，P面电极和露出的InGaAs接触层形成欧姆接触；将wafer背面进行研磨减薄，镀上金属后合金，形成N面电极；
步骤十：将wafer划裂切割成Bar条，在Bar条两端镀上光学膜，EA端为出光端，镀增透膜，LD端镀高反膜；最后将Bar条切割成单颗Chip，完成工艺。
在一较佳的实施例中，所述生长具体为使用MOCVD进行外延磊晶。
在一较佳的实施例中，所述沉积具体为使用PECVD积淀SiO2、SiO2/SiNx薄膜。
在一较佳的实施例中，所述刻蚀具体为使用ICP/RIE进行干法刻蚀。
在一较佳的实施例中，所述钝化层使用氧化硅或氮化硅。
在一较佳的实施例中，步骤一中的均匀光栅制作掩膜将部分光栅去除，保留LD出光端20%-80%的光栅结构，形成局部光栅。
在一较佳的实施例中，步骤二所述LD结构刻蚀去除，刻蚀深度需超过LD有源区。
在一较佳的实施例中，步骤三所述有源区对齐，高度差应＜1um。
在一较佳的实施例中，步骤九中在EAM-pad下方充填BCB材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明基于掩埋异质结（BuriedHeterojunction ,BH）结构，采用对接生长（Butt-joint）方案制作EML激光器芯片，在能够对LD和EA分别设计优化的同时，在量子阱有源区两侧生长PNP电流限制结构，降低电流和载流子泄露，达到减小阈值电流、降低功耗、提高出光功率和耦合效率的效果。本发明的PNP掩埋过程中采用的是常规的Si和Zn的掺杂，未采用掺Fe结构，对外延设备要求比较低，在生长过程中没有使用Fe源，降低设备污染。该结构制作出的电吸收调制激光器，具备高功率、低阈值的优点，适合远距离的传输。
附图说明
图1为本发明优选实施例1的完成S101后的示意图；
图2为本发明优选实施例1的完成S102后的示意图；
图3为本发明优选实施例1的完成S103后的示意图；
图4为本发明优选实施例1的完成S104后的EA端示意图；
图5为本发明优选实施例1的完成S104后的LD端示意图；
图6为本发明优选实施例1的完成S105后的EA端示意图；
图7为本发明优选实施例1的完成S105后的LD端示意图；
图8为本发明优选实施例1的完成S106后的EA端示意图；
图9为本发明优选实施例1的完成S106后的LD端示意图；
图10为本发明优选实施例1的完成S107后的EA端示意图；
图11为本发明优选实施例1的完成S107后的LD端示意图；
图12为本发明优选实施例1的完成S108后的示意图；
图13为本发明优选实施例1的完成S108后的立体图；
图14为本发明优选实施例1的完成S109后的立体图；
图15为本发明优选实施例2的完成S201后的示意图；
图16为本发明优选实施例2的完成S202后的示意图；
图17为本发明优选实施例2的完成S211后的示意图；
图18为本发明优选实施例的芯片完成工艺后的纵向剖面图；
图19为本发明优选实施例的芯片完成工艺后的后视图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明所述基于BH结构采用对接生长的EML激光器，其结构分为两部分，远离出光端为LD结构，如图18-19所示，由下至上依次为：衬底1、N-InP buffer层2、第一InGaAsP SCH层31、LD-MQW层4、第二InGaAsP SCH层32、第一P-InP spacer层51、光栅层6、第二P-InPspacer52、高掺杂P-InP层7、InGaAs接触层8、SiO2钝化层13、P面电极12；靠近出光端为EAM结构，由下至上依次为：衬底1、N-InP buffer层2、第一InGaAsP SCH层91、EA-MQW层10、第二InGaAsP SCH层92、P-InP spacer层11、高掺杂P-InP层7、InGaAs接触层8、SiO2钝化层13、P面电极12； LD-MQW厚度较EA-MQW较薄，且中心与EA-MQW对准，LD与EA交界处设置隔离区18，无高掺杂P-InP层、InGaAs接触层；InGaAs接触层8和P面电极12仅在欧姆接触区域19接触；波导横跨LD和EA区域，在波导两侧生长有电流限制结构，包括P-InP15、N-InP16、P-InP17，在衬底底部镀有N面金属电极14。
其制备方法包括如下步骤：
步骤一：在衬底上生长LD结构，通过全息曝光和湿法腐蚀方式制成均匀光栅，清洗后在其上生长InP保护；
步骤二：制作掩膜，将EAM区域的LD结构刻蚀去除；
步骤三：生长EAM结构，EA和LD有源区对齐；
步骤四：制作脊型SiO2/SiNx掩膜，使用含Br2的溶液腐蚀到N-InP buffer层，形成脊型波导结构；
步骤五：在波导两侧生长P-InP 、N-InP 、 P-InP电流限制结构；
步骤六：去除掩膜后，在wafer表面生长高掺杂的P-InP和InGaAs接触层；
步骤七：将波导两侧的InGaAs接触层、高掺杂InP、PNP限制层腐蚀、刻蚀去除；
步骤八：将LD与EA交界处的InGaAs接触层和高掺杂层去除，形成电隔离；
步骤九：沉积钝化层，将LD和 EA 波导上方的钝化层去除，露出InGaAs接触层；再次光刻后镀上P面电极，去胶后合金，P面电极和露出的InGaAs接触层形成欧姆接触；将wafer背面进行研磨减薄，镀上金属后合金，形成N面电极；
步骤十：将wafer划裂切割成Bar条，在Bar条两端镀上光学膜，EA端为出光端，镀增透膜，LD端镀高反膜；最后将Bar条切割成单颗Chip，完成工艺。
所述生长为使用MOCVD进行外延磊晶；
所述沉积为使用PECVD积淀SiO2、SiO2/SiNx薄膜；
所述刻蚀为使用ICP/RIE进行干法刻蚀；
所述钝化层可选择氧化硅或氮化硅；
步骤一中的均匀光栅可制作掩膜将部分光栅去除，保留LD出光端20%-80%的光栅结构，形成局部光栅；
步骤二所述LD结构刻蚀去除，刻蚀深度需超过LD有源区；
步骤三所述有源区对齐，高度差应＜1um；
步骤七和步骤八顺序可以更换；
可选地，步骤九中在EAM-pad下方充填BCB材料；
具体实施例一
参考图1-14，S101：在衬底上使用MOCVD设备生长LD结构，依次为N-InP buffer层、InGaAsP SCH层、LD-MQW层、InGaAsPSCH层、P-InP spacer 层、光栅层。通过全息曝光和湿法腐蚀方式制成均匀光栅，清洗后在其上使用MOCVD生长InP保护；
S102：在完成S101的wafer上沉积SiO2掩膜，通过光刻、刻蚀、去胶工艺，制作特定图形的SiO2掩膜，使用ICP设备将掩膜以外区域的InP保护层、光栅层、P-InP spacer 层、InGaAsP SCH层、LD-MQW层、InGaAsPSCH层刻蚀去除；
S103：在完成S102后，使用MOCVD设备生长EA结构，依次包括N-InP buffer 层、InGaAsP SCH层、EA-MQW层、InGaAsP SCH层、P-InP spacer 层，随后使用BOE溶液去除SiO2掩膜；
S104：在完成S103后，在wafer表面使用PECVD沉积SiO2/SiNx掩膜，通过光刻、RIE刻蚀、去胶工艺，制作出图形化的掩膜，使用含Br2的溶液腐蚀到N-InP buffer层，形成脊波导结构；
S105：使用BOE和异丙醇对wafer表面进行处理，随后使用MOCVD在波导两侧生长P-InP / N-InP / P-InP结构；
S106：使用BOE将双介质掩膜去除后，使用MOCVD在wafer表面生长高掺杂的P-InP和InGaAs接触层；
S107：通过PECVD沉积、光刻、RIE刻蚀、去胶工艺，在wafer表面制作图形化SiO2掩膜，使用含Br2的溶液将波导两侧腐蚀到N-InP buffer层，去除掩膜，形成台面结构；
S108：通过PECVD沉积、光刻、RIE刻蚀、去胶工艺，在wafer表面制作图形化SiO2掩膜，使用H2SO4:H2O2:H2O溶液，将LD与EA交界处的InGaAs接触层和高掺杂InP层腐蚀，形成电隔离，去除掩膜；
S109：通过PECVD沉积、光刻、RIE刻蚀、去胶工艺，在wafer表面制作图形化SiO2钝化层，将LD和 EA 波导上方的钝化层去除，露出InGaAs接触层；光刻后在露出的InGaAs接触层上镀上金属并合金，形成与InGaAs接触层欧姆接触的P面电极；将wafer背面进行研磨减薄，镀上金属后合金，形成N面电极；
S110：将wafer划裂切割成Bar条，在Bar条两端镀上光学膜，EA端为出光端，镀增透膜，LD端为反射端，镀高反膜；最后将Bar条切割成单颗Chip，完成工艺。
具体实施例二
参考图15-17，S201：在衬底上使用MOCVD设备生长LD结构，依次为N-InP buffer层、InGaAsP SCH层、LD-MQW层、InGaAsPSCH层、P-InP spacer 层、光栅层。通过全息曝光和湿法腐蚀方式制成均匀光栅，再经过光刻、腐蚀、去胶，保留LD部分靠近出光端20%-80%的光栅结构，清洗后在其上使用MOCVD生长InP保护；
S202：在完成S101的wafer上沉积SiO2掩膜，通过光刻、刻蚀、去胶工艺，制作特定图形的SiO2掩膜，使用ICP设备将掩膜以外区域的InP保护层、光栅层、P-InP spacer 层、InGaAsP SCH层、LD-MQW层、InGaAsPSCH层刻蚀去除；
S203：在完成S202后，使用MOCVD设备生长EA结构，依次包括N-InP buffer 层、InGaAsP SCH层、EA-MQW层、InGaAsP SCH层、P-InP spacer 层，随后使用BOE溶液去除SiO2掩膜；
S204：在完成S203后，在wafer表面使用PECVD沉积SiO2/SiNx掩膜，通过光刻、RIE刻蚀、去胶工艺，制作出图形化的掩膜，使用含Br2的溶液腐蚀到N-InP buffer层，形成脊波导结构；
S205：使用BOE和异丙醇对wafer表面进行处理，随后使用MOCVD在波导两侧生长P-InP / N-InP / P-InP结构；
S206：使用BOE将双介质掩膜去除后，使用MOCVD在wafer表面生长不同掺杂浓度梯度的P-InP和InGaAs接触层；
S207：通过PECVD沉积、光刻、RIE刻蚀、去胶工艺，在wafer表面制作图形化SiO2掩膜，使用含Br2的溶液将LD区域波导两侧的PNP阻挡层及其上的InP、InGaAs腐蚀，去除掩膜；
S208：通过PECVD沉积、光刻、RIE刻蚀、去胶工艺，在wafer表面制作图形化SiO2掩膜，使用ICP设备，将EA区域波导两侧的PNP阻挡层及其上的InP、InGaAs刻蚀，去除掩膜；
S209：通过PECVD沉积、光刻、RIE刻蚀、去胶工艺，在wafer表面制作图形化SiO2掩膜，使用H2SO4:H2O2:H2O以及HCL:H2PO4溶液，将LD与EA交界处的InGaAs接触层和高掺杂InP层腐蚀，形成电隔离，去除掩膜；
S210：沉积第一层钝化层，通过光刻，在第一层钝化层上，EA-pad区域填充一层BCB材料，沉积第二层钝化层；
S211：通过光刻、RIE刻蚀、去胶工艺，将划线道以及波导上方的钝化层去除，露出InGaAs接触层；光刻后在波导上露出的InGaAs接触层上镀上金属并合金，形成与InGaAs接触层欧姆接触的P面电极；将wafer背面进行研磨减薄抛光，镀上金属后合金，形成N面电极；
S212：将wafer划裂切割成Bar条，在Bar条两端镀上光学膜，EA端为出光端，镀增透膜，LD端镀高反膜；最后将Bar条切割成单颗Chip，完成工艺。
Claims (10)
1.一种基于BH结构的EML激光器芯片，其特征在于，包括远离出光端为LD结构以及靠近出光端为EAM结构；
所述LD结构从下至上依次包括：衬底（1）、N-InP buffer层（2）、第一InGaAsP SCH层（31）、LD-MQW层（4）、第二InGaAsP SCH层（32）、第一P-InP spacer层（51）、光栅层（6）、第二P-InPspacer（52）、高掺杂P-InP层（7）、InGaAs接触层（8）、SiO2钝化层（13）以及P面电极（12）；
所述EAM结构从下至上依次包括：衬底（1）、N-InP buffer层（2）、第一InGaAsP SCH层（91）、EA-MQW层（10）、第二InGaAsP SCH层（92）、P-InP spacer层（11）、高掺杂P-InP层（7）、InGaAs接触层（8）、SiO2钝化层（13）以及P面电极（12）；
LD-MQW厚度较EA-MQW较薄，且中心与EA-MQW对准，LD与EA交界处设置隔离区（18），无高掺杂P-InP层、InGaAs接触层；InGaAs接触层（8）和P面电极（12）仅在欧姆接触区域（19）接触；波导横跨LD和EA区域，在波导两侧生长有电流限制结构，包括P-InP（15）、N-InP（16）、P-InP（17），在衬底底部镀有N面金属电极（14）。
2.一种基于BH结构的EML激光器芯片的制备方法，其特征在于，制备了上述权利要求1所述的一种基于BH结构的EML激光器芯片，包括以下步骤：
步骤一：在衬底上生长LD结构，通过全息曝光和湿法腐蚀方式制成均匀光栅，清洗后在其上生长InP保护；
步骤二：制作掩膜，将EAM区域的LD结构刻蚀去除；
步骤三：生长EAM结构，EA和LD有源区对齐；
步骤四：制作脊型SiO2/SiNx掩膜，使用含Br2的溶液腐蚀到N-InP buffer层，形成脊型波导结构；
步骤五：在波导两侧生长P-InP 、N-InP 、 P-InP电流限制结构；
步骤六：去除掩膜后，在wafer表面生长高掺杂的P-InP和InGaAs接触层；
步骤七：将波导两侧的InGaAs接触层、高掺杂InP、PNP限制层腐蚀、刻蚀去除；
步骤八：将LD与EA交界处的InGaAs接触层和高掺杂层去除，形成电隔离；
步骤九：沉积钝化层，将LD和 EA 波导上方的钝化层去除，露出InGaAs接触层；再次光刻后镀上P面电极，去胶后合金，P面电极和露出的InGaAs接触层形成欧姆接触；将wafer背面进行研磨减薄，镀上金属后合金，形成N面电极；
步骤十：将wafer划裂切割成Bar条，在Bar条两端镀上光学膜，EA端为出光端，镀增透膜，LD端镀高反膜；最后将Bar条切割成单颗Chip，完成工艺。
3.根据权利要求2所述的一种基于BH结构的EML激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述生长具体为使用MOCVD进行外延磊晶。
4.根据权利要求2所述的一种基于BH结构的EML激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述沉积具体为使用PECVD积淀SiO2、SiO2/SiNx薄膜。
5.根据权利要求2所述的一种基于BH结构的EML激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述刻蚀具体为使用ICP/RIE进行干法刻蚀。
6.根据权利要求2所述的一种基于BH结构的EML激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述钝化层使用氧化硅或氮化硅。
7.根据权利要求2所述的一种基于BH结构的EML激光器芯片的制备方法，其特征在于，步骤一中的均匀光栅制作掩膜将部分光栅去除，保留LD出光端20%-80%的光栅结构，形成局部光栅。
8.根据权利要求2所述的一种基于BH结构的EML激光器芯片的制备方法，其特征在于，步骤二所述LD结构刻蚀去除，刻蚀深度需超过LD有源区。
9.根据权利要求2所述的一种基于BH结构的EML激光器芯片的制备方法，其特征在于，步骤三所述有源区对齐，高度差应＜1um。
10.根据权利要求2所述的一种基于BH结构的EML激光器芯片的制备方法，其特征在于，步骤九中在EAM-pad下方充填BCB材料。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311387695.9A CN117410825A (zh) | 2023-10-25 | 2023-10-25 | 一种基于bh结构的eml激光器芯片及其制备方法 |
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